Как можно записать уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Характеристики двигателей параллельного возбуждения

38) Механическая характеристика асинхронного двигателя.

Механическая характеристика . Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98-92,5 % частоты вращения n 1 (скольжение s ном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а - естественная; б - при включении пускового реостата

на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент M max двигатель развивает при некоторое скольжении s kp , составляющем 10-20%. Отношение M max /M ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М п /М ном - его пусковые свойства.

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки М вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M max (до точки В). Если нагрузочный момент М вн превысит момент M max , то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5-7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R 1п (кривая 2), R 2п (кривая 3) и R 3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R 2 и возрастает s кp . При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М п также зависит от R 2 . Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М п был равен наибольшему М max .

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками. Поэтому характеристику 1 (рис. 263) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент М п такого двигателя значительно больше, чем момент М’ п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

НА ВСЯКИЙ СЛУЧАЙ РАБОЧУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ!!!

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М 2 , тока статора I 1 коэффициента полезного действия? и cos? 1 , от полезной мощности Р 2 = Р mx при номинальных значениях напряжения U 1 и частоты f 1 (рис. 264). Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10-20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р 2 изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М 2 пропорционален мощности Р 2 , он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента М тр, создаваемого силами трения.

Ток статора I 1 , возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р 2 = 0 имеется некоторый ток холостого хода I 0 . К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75-0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cos? 1 асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7-0,9. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

Рис. 263. Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рис. 264. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

При нагрузках 25-50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5-0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25-0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз. Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза). Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении - не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы). Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75U ном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5-1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении. Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз. При несимметрии напряжений фазные токи двигателя будут неодинаковы и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении. Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты. Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

Принципиальная схема электродвигателя смешанного возбуждения приведена на рис. 1. В этом двигателе имеются две обмотки возбуждения – параллельная (шунтовая, ШО), подключенная параллельно цепи якоря, и последовательная (сериесная,СО), подключенная последовательно цепи якоря. Эти обмотки по магнитному потоку могут быть включены согласно или встречно.

Рис. 1 — Схема электродвигателя смешанного возбуждения

При согласном включении обмоток возбуждения их МДС складываются и результирующий поток Ф примерно равен сумме потоков, создаваемых обеими обмотками. При встречном включении результирующий поток равен разности потоков параллельной и последовательной обмоток. В соответствии с этим, свойства и характеристики электродвигателя смешанного возбуждения зависят от способа включения обмоток и от соотношения их МДС.

Скоростная характеристика n=f (I a) при U=U н и I в =const (здесь I в — ток в параллельной обмотке).

С увеличением нагрузки результирующий магнитный поток при согласном включении обмоток возрастает, но в меньшей степени, чем у двигателя последовательного возбуждения, поэтому скоростная характеристика в этом случае оказывается более мягкой, чем у двигателя параллельного возбуждения, но более жесткой, чем у двигателя последовательного возбуждения.

Соотношение между МДС обмоток может меняться в широких пределах. Двигатели со слабой последовательной обмоткой имеют слабо падающую скоростную характеристику (кривая 1, рис. 2).

Рис. 2 — Скоростные характеристики двигателя смешанного возбуждения

Чем больше доля последовательной обмотки в создании МДС, тем ближе скоростная характеристика приближается к характеристике двигателя последовательного возбуждения. На рис.2 линия 3 изображает одну из промежуточных характеристик двигателя смешанного возбуждения и для сравнения дана характеристика двигателя последовательного возбуждения (кривая 2).

При встречном включении последовательной обмотки с увеличением нагрузки результирующий магнитный поток уменьшается, что приводит к увеличению скорости двигателя (кривая 4). При такой скоростной характеристике работа двигателя может оказаться неустойчивой, т.к. поток последовательной обмотки может значительно уменьшить результирующий магнитный поток. Поэтому двигатели со встречным включением обмоток не применяются.

Механическая характеристика n=f (М) при U=U н и I в =const. двигателя смешанного возбуждения показана на рис.3 (линия 2).

Рис. 3 — Механические характеристики двигателя смешанного возбуждения

Она располагается между механическими характеристиками двигателей параллельного (кривая 1) и последовательного (кривая 3) возбуждения. Подбирая соответствующим образом МДС обеих обмоток, можно получить электродвигатель с характеристикой, близкой к характеристике двигателя параллельного или последовательного возбуждения.

Электродвигателем параллельного возбуждения называется двигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена параллельно обмотке якоря (рис. 1). При снятии характеристик к цепи якоря подводится номинальное напряжение U н =const.

Рис. 1 — Схема двигателя параллельного возбуждения

Ток, потребляемый двигателем из сети, определяется суммой I=I a +I в, ток возбуждения обычно равен I в =(0,03...0,04) I н. Все характеристики двигателя снимаются при постоянных сопротивлениях в цепях возбуждения r в =const и якоря

Скоростная характеристика.

Зависимость n=f (I a) при U н =const и I в =const

Из уравнения ЭДС для электродвигателя

Как видно из выражения,частота вращения двигателя зависит от двух факторов — изменения тока нагрузки и потока. При увеличении тока нагрузки падение напряжения в сопротивлении цепи якоря увеличивается, а частота вращения двигателя уменьшается.

Поперечная реакция якоря размагничивает двигатель, т.е. с ростом тока I a уменьшается поток и, следовательно, увеличиваются обороты двигателя. Таким образом, оба фактора действуют в отношении оборотов машины встречно и вид скоростной характеристики будет определяется их результирующим действием.

На рис. 2 показаны три разные скоростные характеристики двигателя (кривые 1,2,3). Кривая 1 — скоростная характеристика при преобладании влияния I a ∑r,кривая 2 — оба фактора приблизительно уравновешиваются, кривая 3 — преобладает фактор размагничивающего действия реакции якоря.

Рис. 2 — Характеристики двигателя параллельного возбуждения

Ввиду того, что в реальных двигателях изменение потока Ф незначительно, скоростная характеристика является практически прямой линией. На ряде современных машин параллельного возбуждения для компенсации влияния поперечной реакции якоря устанавливается дополнительная стабилизирующая обмотка возбуждения, которая полностью или частично компенсирует влияние реакции якоря.

Нормальной формой скоростной характеристики, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя, является характеристика вида кривой 1.

Наклон характеристики определяется величиной сопротивления цепи якоря Σr без учета реакции якоря. Когда добавочных сопротивлений в цепь якоря не включено, характеристика называется естественной. Естественная характеристика двигателя параллельного возбуждения достаточно жесткая. Обычно, где n o — частота вращения при холостом ходе. При включении в цепь якоря добавочных сопротивлений R рг, наклон характеристик увеличивается, они становятся «мягкими» и называются искусственными или реостатными.

Моментная характеристика – это зависимость М=f (I a) при r в =const, U=U н и Σr=const. В установившемся режиме работы двигателя согласно

имеем M эм = M 2 +M 0 = с м I a Ф. Если бы в процессе работы машины поток Ф не изменялся, то моментная характеристика представляла бы собой прямую (характеристика 4, рисунок 2). В действительности поток Ф с ростом тока I a несколько уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря, поэтому моментная характеристика слегка наклонена вниз (кривая 5). Характеристика полезного момента располагается ниже кривой электромагнитного момента на величину момента холостого хода (кривая 6).

Характеристика КПД η=f (I a) снимается при U=U н, r в =const, Σr=const и имеет типичный для электродвигателей вид (характеристика 7 на рис. 2). КПД быстро растет при увеличении нагрузки от холостого хода до 0,25Р н, достигает максимального значения при Р=(0,5...0,75) Р н, а затем до Р=Р н остается почти неизменным. Обычно в двигателях малой мощности η=0,75...0,85, а в двигателях средней и большой мощности η=0,85...0,94.

Механическая характеристика представляет зависимость n=f (M) при U=U н, I в =const и Σr=const. Аналитическое выражение для механической характеристики можно получить из уравнения ЭДС электродвигателя

Определив ток I а из выражения М = с е I a Ф и подставив это значение тока в выражение выше, получим

Если пренебречь реакцией якоря и считать, что поток Ф не изменяется, то механические характеристики электродвигателя параллельного возбуждения можно представить в виде прямых (рис. 3), наклон которых зависит от величины сопротивления R рг включенного в цепь якоря. При R рг =0 характеристика называется естественной.

Рис. 3 — Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения

Следует помнить, что при обрыве цепи возбуждения I в =0 обороты двигателя n→∞, т.е. двигатель идет «вразнос», поэтому его необходимо немедленно отключить от сети.

Классификация механических характеристик.

Рис. 1-1. Структура электропривода

Электроприводом называется машинное устройство, осуществляющее преобразование электрической энергии в механическую и обеспечивающее электрическое управление преобразованной механической энергией.

Электропривод состоит из двух основных частей:

1) силовой части, включающей электродвигатель и устройство для передачи механической энергии рабочему органу;

2) системы управления, содержащей командные органы, устройства для формирования свойств электропривода и защитные средства.

Основная функция электропривода - приводить в движение рабочий механизм. Однако современный автоматизированный электропривод выполняет более широкие функции по оптимизации технологического процесса.

Электроприводы, применяемые в производстве, можно разделить на три основных типа.

1) Групповым электроприводом называется такой привод, в котором от одного электродвигателя с помощью одной или нескольких трансмиссий движение передается группе рабочих машин. Такой привод иногда называют трансмиссионным приводом.
Вследствие своего технического несовершенства этот тип привода в настоящее время почти не применяется и представляет интерес лишь с точки зрения истории развития электропривода, так как он уступил место одиночному и многодвигательному приводам.

2) Одиночным электроприводом называется привод, который с помощью одного электродвигателя приводит в движение отдельную машину. Примерами применения одиночного электропривода являются одношпиндельный сверлильный станок, многочисленные электроинструменты, а также другие простые металлообрабатывающие станки и различные несложные механизмы. Во многих случаях привод осуществляется от электродвигателя специального исполнения, конструктивно представляющего одно целое с самим механизмом.

3) Многодвигательным электроприводом называется привод, состоящий из нескольких одиночных электроприводов, каждый из которых предназначен для приведения в действие отдельных рабочих элементов производственного агрегата. Такие электроприводы применяются, например, в сложных металлообрабатывающих станках, в бумагоделательных машинах, в металлургических прокатных станах и других машинных устройствах. Многодвигательные электроприводы получают все большее применение в современной промышленности.

Зависимость между скоростью вращения и моментом сопротивления механизма называется механической характеристикой механизма.

Для рассмотрения свойств механических характеристик можно воспользоваться упрощенной формулой, справедливой для большинства механизмов:

Исходя из этой формулы можно выделить четыре типа механических характеристик:

1) не зависящая от скорости механическая характеристика

,

2) линейно возрастающая механическая характеристика

3) нелинейно возрастающая характеристика (параболическая)

Вентиляторная характеристика,

4) нелинейно спадающая характеристика

Обратно пропорционален скорости.

Рис. 1-4. Основные типы механических характеристик.

Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его скорости от вращающего момента, т. е. .

Почти все электродвигатели обладают тем свойством, что скорость их является убывающей функцией момента двигателя. Это относится почти ко всем обычным электродвигателям, применяемым в промышленности. Однако степень изменения скорости с изменением момента у разных двигателей различна и характеризуется так называемой жесткостью их механических характеристик.

Механические характеристики электродвигателей можно разделить на три основные категории:

1. Абсолютно жесткая механическая характеристика, при которой скорость с изменением момента остается неизменной. Такой характеристикой обладают синхронные двигатели (прямая 1 на рис. 1-5).

2. Жесткая механическая характеристика, при которой скорость с изменением момента хотя и уменьшается, но в малой степени. Жесткой механической характеристикой обладают двигатели постоянного тока независимого возбуждения, а также асинхронные двигатели в пределах рабочей части механической характеристики (кривая 2 на рис. 1-5). Для асинхронного двигателя степень жесткости в различных точках механической характеристики различна (рис. 1-6). Между наибольшими (критическими) значениями моментов в двигательном и генераторном режимах характеристика асинхронного двигателя оказывается сравнительно жесткой.

3. Мягкая механическая характеристика отличается значительным изменением скорости с изменением момента. Такой характеристикой обладают двигатели последовательного возбуждения, особенно в зоне малых моментов (кривая 3 на рис. 1-5). Для этих двигателей степень жёсткости не остаётся постоянной для всех точек характеристики. Двигатели смешанного возбуждения могут быть отнесены ко второй или третьей группе в зависимости от степени жёсткости механической характеристики.

Рис. 1-7. Схема включения двигателя постоянного тока

независимого возбуждения.

В установившемся режиме работы двигателя приложенное напряжение U определяется последующему выражению:

(1.1)

где I я - ток якорной цепи, называется такая характеристика двигателя, которая получается при отсутствии внешних сопротивлений в якорной цепи и номинальных значениях напряжения и магнитного потока.

Если в цепь якоря двигателя включено дополнительное сопротивление (реостат), то механические характеристики, получаемые при этом, называются искусственными или реостатными .

Реостатные характеристики имеют значительно больший наклон к оси моментов, чем у естественной характеристики, т.е. обладают меньшей жёсткостью. Чем больше введённое в цепь якоря сопротивление, тем круче идёт характеристика, тем меньше её жёсткость.